第四章 驱动型耕整地机械.docx

1、第四章 驱动型耕整地机械第四章 驱动型耕整地机械驱动型耕整地机械是由拖拉机动力输出轴驱动工作部件进行工作的，目前应用较多的是旋耕机。旋耕机具有犁耙合一的作业效果，旋耕一次即可达到土碎地平，在水田中带水旋耕后即可直接插秧。它能有效地切断植被并将其混合于耕作层中，也能使化肥、农药等在土中均匀混合。旋耕机作业质量好、工效高，既能抢农时、节省劳力，又可减少机器下地次数，减轻行走部件对土壤的压实，在我国南北方均有广泛使用。尤其是在南方水田地区，春耕、夏耕、双抢、秋耕各个季节都能使用，较好地满足农业生产的要求。第一节旋耕机构造及工作过程旋耕机主要由机架、传动装置、刀辊、挡土罩及平土拖板组成(图41)。机架

2、机架包括齿轮箱壳体，左、右主梁，侧板及侧边传动箱壳体。采用中间传动的旋耕机，左、右主梁长度相同。侧边传动的旋耕机，因侧边传动箱较重，故传递动力一侧的主梁较短，这样有利于整机平衡。主梁上还装有悬挂架，以便与拖拉机连接。旋耕机与拖拉机的连接方式，主要有悬挂式和直接连接式两种。悬挂式多用于大中型拖拉机，直接连接式用于小型及手扶拖拉机，它是用螺钉把齿轮箱壳体直接固定在拖拉机上。图41旋耕机的构造1主梁2悬挂架3齿轮箱4侧边传动箱5平土拖板6挡土罩7撑杆8刀轴9旋耕刀传动装置传动装置包括齿轮箱、侧边传动箱或中间传动箱。拖拉机的动力传至齿轮箱后，再经侧边传动箱或中间传动箱驱动刀轴。传动方式有侧边链轮传动、

3、侧边齿轮传动和中间传动三种形式(图42)。链轮传动零件数目少、重量轻、结构简单，但链条易磨损断裂，使用寿命短。齿轮传动可靠性好，但加工精度高，制造复杂，成本贵。耕幅较窄的旋耕机多采用侧边传动，耕幅较宽的旋耕机则用中间传动，但中间传动箱下部会造成漏耕，影响作业质量。为解决这个问题，可在传动箱下面装一把松土铲或采用其它防漏耕装置。图42旋耕机的传动(a)侧边链轮传动(b)侧边齿轮传动(c)中间传动在悬挂式旋耕机上，拖拉机动力输出轴通过双万向节把动力传递给齿轮箱。为适应旋耕机升降及深浅调节的需要，万向节的传动轴(中间轴)采用能在方套管内自由伸缩的方轴。安装万向节时，应使方轴及方套管的夹叉位于同一平面

4、内，如方向装错，易使旋耕机振动加大并损坏机件。为适应不同的作业要求，有时需要改变旋耕机刀轴的转速。变速的方法是更换传动齿轮或链轮，也可以在齿轮箱外设变速杆或使拖拉机动力输出轴有多个档位，用换档的方式变速。刀辊刀辊由刀轴及安装在刀轴上的旋耕刀组成，亦称刀滚。刀轴有整体式和组合式两种，组合式刀轴由多节管轴通过接盘连接而成(图43)，其特点是通用性好，可以根据不同的幅宽要求进行组合。旋耕刀在刀轴上的安装有刀座和刀盘两种形式，刀座又有直线型和曲线型两种(图4-4)，曲线型刀座滑草性能好但制造工艺复杂。用刀座安装旋耕刀时，每个刀座只装一把刀片；用刀盘安装旋耕刀时，每个刀盘可根据不同需要安装多把刀片。图4

5、3组合式刀轴图44旋耕刀的安装(a)直线型刀座(b)曲线型刀座(c)刀盘刀辊的配置有立式和卧式两种(图45)，刀辊直立配置的旋耕机称为立式旋耕机，刀辊呈横向水平配置的旋耕机称为卧式旋耕机。卧式旋耕机刀辊的旋转方向有正转和反转两种，正转时，刀辊的旋转方向与拖拉机前进时轮子的旋转方向相同，反转时与其相反。刀辊正转的旋耕机称正转旋耕机，刀辊反转的旋耕机称反转旋耕机。挡土罩及平土拖板挡土罩弯成弧形安装在刀辊的上方，其作用是挡住旋耕刀切削土壤时抛起的土块，将其进一步破碎，并保护驾驶员的安全。平土拖板的前端铰接在挡土罩上，后端用链条连接到机架上，其离地高度可以调整。拖板的作用是增加碎土和平整地面的效果。旋

6、耕机工作时，一面在拖拉机的牵引下前进，同时拖拉机输出的动力经传动装置驱动刀辊旋转，旋耕刀在前进和旋转过程中不断切削土壤，并将切下的土块向后抛掷与挡土罩相撞击，使土块进一步碰碎后落到地面，并利用平土拖板将地面刮平达到碎土充分，地表平整。图45刀辊配置方式(a)立式(6)卧式第二节旋耕机运动分析一、旋耕刀运动方程以应用广泛的卧式正转旋耕机为例，分析其运动状况。旋耕机工作时，旋耕刀一面旋转，一面随旋耕机前进，因此刀片的绝对运动是刀轴旋转和旋耕机前进二种运动的合成，其运动轨迹是摆线。以刀轴旋转中心为原点建立坐标系，x轴正向和旋耕机前进方向一致，y轴正向垂直向下(图46)。设旋耕机前进速度为m，刀轴旋转

7、角速度为，开始时刀片端点位于前方水平位置与x轴正向重合，则旋耕刀端点运动方程为：(4一1)式中R旋耕刀端点转动半径 (称刀滚回转半径)；t时间。图46旋耕刀的运动式41表示了旋耕刀端点的绝对运动，其运动轨迹随着R、和m。的不同而具有不同的形状和特性。将式41对时间求导数，可求得刀片端点在x轴和y轴方向的分速度：(42)刀片端点绝对速度秽的大小为(43)其中R=p是旋耕刀端点的圆周线速度，令称为旋耕速度比，它表示旋耕刀端点圆周速度与旋耕机前进速度的比值，的大小对旋耕刀运动轨迹及旋耕机工作状况有重要影响。因故如果1，即po，即刀片端点的水平分速度始终与旋耕机前进方向相同，其运动轨迹是短摆线，这时旋

8、耕刀不能向后切土，而出现刀片端点向前推土的现象，使旋耕机不能正常工作。如果1，则当旋耕刀转动到一定位置时，就会出现x0的情况，即刀端绝对运动的水平分速度与旋耕机前进方向相反，从而使旋耕刀能够向后切削土壤。、只要刀片在开始切土时x1时刀端运动轨迹为余摆线(图4-7)，余摆线有一个绕扣，MN为绕扣的最大横弦，在最大横弦以下，均有x1或1，刀片均有切土功能，不像正转时那样，在F，只需即可。由图413可知，实际上就是刃口曲线上某点的运动速度(绝对速度)与该点法线n()n()之间的夹角，这个角称为滑切角。所以草茎能够沿着刀刃滑脱的条件是刃口曲线的滑切角大于草茎沿刀刃滑动的摩擦角。弯刀工作时速度是不断变化

9、的，滑切角的大小也是不断变化的。刀刃上每一点的绝对速度v是该点的圆周线速度r与旋耕机前进速度m的矢量和，r是该点的回转半径。旋耕刀的线速度r较大而m较小，为简单起见及便于分析，有时假定m=0，即v=r从而把滑切角定义为刀刃上某点的圆周速度与该点刃口法线之间的夹角，这个滑切角叫做静态图4一14侧切刃滑切角滑切角，用s表示。从图414可见，侧切刀静态滑切角在数值上又等于刃口曲线上某点的回转半径与该点切线之间的夹角。弯刀工作时，静态滑切角的大小是不变的。但静态滑切角只是一个假设的、近似的滑切角，为区别起见，把实际的滑切角叫做动态滑切角，用功表示。当旋耕机前进速度为零时，动态滑切角与静态滑切角相同。根

10、据前述侧切刃静态滑切角的定义，可以推导出侧切刃静态滑切角计算公式。设旋耕刀侧切刃刃口曲线方程为r=r()，刃口曲线上任意一点的矢径为(图414)：该点的切线为式中r -侧切刃上任意一点的回转半径，r=r()；该点的极角。由图4-14可知，矢径与切线之间的夹角等于该点的静态滑切角s，则即(48)其中当时(图414)，(48)式取正号；若则取负号。由图414可见，由于旋耕机前进速度的影响，侧切刃动态滑切角比静态滑切角小，的数值可根据图415所示的速度关系求出：(49)图415的计算三、侧切刃刃口曲线(48)式称为侧切刃静态滑切角方程，亦称为刃口曲线微分方程，将不同的滑切角变化规律s=f(r，)代入

11、并解此方程，可得到具有不同滑切性能的刃口曲线。许多曲线，只要选择适当的参数，都可以作为弯刀侧切刃的刃口曲线，但究竟选择哪一种曲线更合适，则需要根据不同的作业条件和设计制造要求来确定。目前弯刀侧切刃常用的刃口曲线主要有：1阿基米德螺线其方程为：(410)滑切角为(4-11)式中r。侧切刃起始半径；K常数。阿基米德螺线的特点是其静态滑切角在半径r较小的刀柄部分比较小，在刀端部分比较大，即s随着r的增大逐渐增大。此外，阿基米德螺线为常数，即刀刃每转过单位角度时，其径向切入土壤中的长度是相同的，这使得刃口切土负荷的变化比较均匀。2正弦指数曲线其方程为：(4一12)滑切角为(413)式中s0侧切刀起始半

12、径r。处的静态滑切角；K常数。正弦指数曲纹静态滑切角s与成线性关系变化，当KO时，随着侧切刃半径r的增大, s渐增大；当KO时，随着r的增大，s逐渐减少所以s 可以从刀柄到刀端按不同规律变化。3.偏心圆弧利用偏心圆上的一段圆弧也一可以作为侧切刃刃口曲线，偏心圆方程为(图4-16)：因故(4-14)式中o-偏心圆圆心到旋耕刀回转中心的距离；R。偏心圆半径；e偏心系数，因偏心圆具有对称性，考虑部分，图4-l 6偏心圆图4-17正切刃曲线故(415)或(4 - 16)当时，随着增大(r减少)，s逐渐减少；当时，随着的增大(r减少)，s逐渐增大。所以选用不同区段的偏心圆作为侧切刃口曲线，可以使滑切角从

13、刀柄到刀端按不同规律变化。偏心圆的特点是曲线形状简单，表达方便，容易加工制造，制造时也易于保证曲线的形状。四、正切刃及正切面正切刃的作用是从横向切开土壤，切出沟底，进一步切断从侧切刃滑移过来尚未切断的草茎，或使草茎沿刃口滑脱。正切刃所在的这一部分刀身称为正切面，正切面具有将土壤破碎、翻转并向后抛出的作用。因此正切刃及正切面设计的好坏也影响旋耕机的作业质量及能量消耗。为使耕深一致，减小沟底横向不平度，弯刀正切刃应位于以刀滚回转中心为轴心，刀滚回转半径为半径形成的圆柱面上，即正切刃在侧切刃平面内的投影是以回转中心为圆心，以刀滚回转半径为半径所形成的圆弧上的一部分。为使制造方便，其俯视图投影应是一根

14、与侧切刃相交的斜直线(以正切面弯折线保持垂直为参考位置，图417)，所以理想的正切刃应是一斜置平面与圆柱面相交的截交线的一部分。但实际上正切刃不可能完全是这样，因为在生产制造时，通常是先得到正切刃在侧切刃平面内的展开线，然后再弯折成正切刃；并且在正切刃和侧切刃之间用弯折圆弧光滑过渡。但不管怎样，弯折后形成的正切刃应尽量位于刀滚回转半径形成的圆柱面上，不能相差太大，以保证耕深比较一致，减小沟底不平度。正切面的设计应满足如下要求：正切面应具有一定的翻土和碎土能力；刀背不应推挤和搓擦未耕地，以减少正切面磨损及摩擦功耗；在保证作业质量的条件下，应尽量减少切土阻力。旋耕刀切土时，刀刃轨迹曲线与正切面(即

15、刀背)之间的夹角s称为刀片的隙角(图4-18)，为减少切土阻力，隙角越小越好。但正切面有一定的高度，若隙角过小，刀背会推挤未耕地，使正切面很快磨损并增加摩擦功耗，另外隙角过小，正切面的碎土能力变差。所以应当在保证刀背不挤土的情况下，尽量减小隙角。隙角的大小主要是由刀片运动参数及正切面高度所决定的，要改变隙角，则要改变正切面与刀刃半径之间的夹角妒(图417)。图4-18刀片的隙角第四节旋耕机功率消耗与总体配置一、单刀工作阻力与扭矩旋耕刀在工作过程中，随着刀片人土深度的不同，工作阻力变化很大。为了考察阻力变化情况，常用试验方法测定一把旋耕刀在切土过程中扭矩的变化状况(图419)。测定结果表明，单刀

16、扭矩是连续变化的，正转旋耕刀从刀片入土开始切削到切至土垡中段部位(转角约为20左右)，扭矩迅速增加达到最大值，然后逐渐减小(图419a)，到切削终了垡块被完全切开后(转角约为60左右)，因刀片还要继续碎土及向后抛土，故仍有一定的扭矩。图4一19旋耕刀单刀扭矩变化曲线(a)正转(b)反转反转旋耕刀的扭矩变化与正转不同(图419b)，反转时刀片开始切土后，扭矩是逐渐增大的，当刀片按近地表临近切土结束时，扭矩才达到最大值，然后迅速下降到零。试验表明，在切削量与正转相同时，反转旋耕刀的扭矩峰值较小，总能耗亦较小。这是因为反转时刀片是由下往上切土，向无约束的土壤表面进行作业，在这种状况下，土壤强度较低，

17、易于破裂。二、旋耕刀的排列旋耕刀在刀轴上的排列是影响旋耕机作业质量及功率消耗的重要因素之一，为使旋耕机在工作时不产生漏耕和堵塞、刀轴受力均匀、耕后地表平整，刀片在刀轴上的排列一般应满足下列要求。(1)旋耕刀应按刀轴每转过一个相同的角度顺序入土，以保证工作平稳，刀轴负荷均匀.图420旋耕刀排列图a)双头单向螺旋排列(b)不等间距排列。(2)左弯刀和右弯刀应尽量交错入土，使刀轴所受的侧向力较为平衡。(3)各旋耕刀的切土节距尽可能相等，使土块大小及刀片磨损比较均匀一致。(4)相邻刀片的角度差及相继入土刀片的轴向距离应尽量大，以防止夹土和堵塞。旋耕刀在刀轴上的排列，用刀片的位置和弯向来表示。以刀轴左端

18、第一把刀所在位置为坐标原点，横坐标平行于刀轴轴线，横坐标值表示旋耕刀的轴向位置，纵坐标的正向与旋耕机的前进方向相同，纵坐标值表示刀片在刀轴上的位置及刀片的入土顺序。在此坐标系中画出每把刀的位置及弯向即为旋耕刀排列图(图420)，排列图不仅表示了旋耕刀在刀轴上的排列位置和方向，还表示了旋耕刀的入土顺序及相继入土旋耕刀沿轴向的分布情况。旋耕刀的排列型式很多，常用的是双头单向螺旋线排列(图420a)，这种方式是从刀轴的一端向另一端按顺序排列，规律性强，参数单一，比较简单，但作业时侧向力较大。近年来也有采用人字形排列、分区段排列、不等间距排列等其它型式(图420b)。三、旋耕机功率消耗旋耕机的功率消耗

19、主要包括旋耕刀切削土壤消耗的功率、抛掷土垡消耕的功率、推动旋耕机前进消耗的功率、传动部分消耗的功率以及克服土壤沿水平方向作用于刀辊上的反力所消耗的功率，可用下式表示为：式中N一一旋耕机总的功率消耗；Nq切土功耗；Np一一抛土功耗；Nt旋耕机前进功耗；Nf一一传动及摩擦功耗；Nn克服土壤水平反力的功耗。在旋耕机总的功率消耗中，以前两项切土及抛土功率消耗为主，约占总功耗的7080以上。公式中最后一项Nn是克服土壤沿水平方向作用于刀辊上的反力所消耗的功率。正转旋耕机此功率有推动旋耕机前进的作用，可部分或全部取代旋耕机前进所消耗的功率Nt。，敌取负号。反转旋耕机此功率阻碍旋耕机前进，故取正号。正转时，

20、若NnNt，则会在机组传动系统内部出现寄生功率，对传动系统产生干扰，加重传动装置的负荷，造成多余的机械损失，这是应当避免的，为消除这种现象可在刀辊前安装松土铲。反转时不会产生寄生功率，但如果Nn太大，会造成驱动轮打滑。在实际中，常用旋耕比能耗来表示不同旋耕机功率消耗的大小。设旋耕机作业时耕宽为B，耕深为H，前进速度为m，所消耗的总功率为N，则旋耕比能耗即旋耕单位体积土壤所消耗的能量r为：旋耕比能耗从量纲上约去一级m也可看成是Nm2，其意义与犁耕比阻相似，即旋耕单位面积土壤时受到的土壤阻力，称为旋耕比阻，常用来表示不同土壤对旋耕作业的阻力。四、旋耕机工作幅宽旋耕机工作幅宽应根据配套拖拉机功率的大

21、小，旋耕比能耗(旋耕比阻)，耕深要求等来确定。设拖拉机输出动力轴额定输出功率为Np，旋耕机传动效率为，则旋耕机工作幅宽B为：工作幅宽也可以根据单位耕幅所消耗的功率ND(Wm)来确定：如果旋耕机的工作幅宽大于拖拉机最小轮距，机组可以采用对称配置(图421a)，如果工作幅宽小于拖拉机最小轮距，则应采用偏置方式(图421b)，但偏置作业时会使机组产生偏转力矩。偏置旋耕机多采用侧边传动，因偏置方式不适合于用中央传动，同时还可利用侧边传动箱与地面问产生的摩擦阻力，适当平衡机组的偏转力矩。图4-21旋耕机的配置(a)对称配置(b)偏置第五节驱动耙驱动耙是一种由拖拉机动力驱动的整地机械，作业时工作部件在拖拉机动力输出轴的驱动下进行碎土、搅土。其特点是碎土灭茬性能好，工作质量高，作业后地表平整，土质松软，能满足农业技术要求。驱动耙有多种，如滚筒型、旋转型、往复型等。其中以滚筒型驱动耙应用较多，过去这种驱动耙主要用于水田整地，一次作业即可达到插秧前的整地要求，近年来在旱地上也有所应用。滚筒型驱动耙主要由耙滚、罩壳及拖板、平土板、传动机构、耙架和悬挂架等组成(图4-22)。耙滚是其主要工作部件，由耙滚轴、耙齿板、耙齿、支承盘等组成(图4